JPH01501587A - 電子要素の相互接続 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電子要素の相互接続 本発明は、例えば集積回路（ＩＣ）チップ、チップキャリヤ、プリント回路板の ような電子要素の相互接続ならびに特に電子要素上のコンタクトに相互接続ワイ ヤーを形成する方法、第１電子要素と第２電子要素のコンタクトの相互接続法、 ワイヤーボンダー用キャピラリーおよび電子要素自体に関する。

電子要素の寸法は、それを製造する技術の進歩により小さくなっているので、１ つの装置に要素を配置できる密度は、要素上のコンタクトに相互接続を形成する ために必要な空間により非常に影響を受けるようになっている。通常使用される 方法は、接着剤によりＩＣチップのような要素をプリント回路板のような基材に 締結することを含んで成る。相互接続ワイヤーは、（熱と圧力を組み合わせて使 用して溶着部を形成する）熱圧着ワイヤーボンディングにより各々一方の端で要 素上の各コンタクトに結合され、基材上の各コンタクトに他方の端でまたは他の 端に向けて、再度一般的には熱圧着ワイヤーボンディングにより結合される。こ の方法の重大な欠点は、相互接続部により装着された要素により占有される領域 が要素自体の領域より相当大きいということである。この方法により形成される 相互接続構造はアメリカ合衆国特許第４４１７３９２号に記載されている。

要素に相互接続部を形成するために必要な空間を減らす相互接続法は、要素また は要素を接続すべき基材のコンタクト上に導電性材料の「バンブ」を形成するこ とを含んで成る。バンブにより要素のコンタクトと要素のコンタクトに直接対向 する基材のフンタクトとの間で接続部を形成することができる。一般に、バンブ はハンダ材料から成り、メツ牛によりコンタクトに適用される。また、ワイヤー の端のボールとコンタクトとの間で熱圧着ワイヤーボンディングにより結合部を 形成し、ボールの直上でワイヤーを切断することによりバンブを形成することが 知られている。その後、超音波ボンディングのような溶融法によりボールと第２ コンタクトとの間で接続を形成できる。この方法は、日本国特許公開第５９−２ ０８７５１号、第８０−８９９５１号および第６０−１３４４４４号に開示され ている。

バンブにより形成される電子要素間の相互接続部は、熱サイクル時に作用する力 に耐える程十分にしなやかではなく、その結果、要素の伸張が異なり、少なくと も幾つかの相互接続部が壊れることがしばしばあるという欠点が問題となる。

アメリカ合衆国特許第３３７３４８１号には、集積回路デバイスのターミナル要 素に導電性ペデスタルを取付ける方法が記載されており、この方法は、球を長尺 ペデスタルに変形する道具を使用してターミナルに金球を熱圧着結合することを 含んで成る。ペデスタルの金が溶解するハンダによりプリント回路基板上の相互 接続領域にペデスタルは接続される。この方法を高密度に配置されたコンタクト に適用することは、球を変形するために使用する道具を製造できる精度により制 限される。更に、開示されている方法は、ペデスタルの高さがほぼ等しく、従っ て、全ペデスタルと単一の平面に有る各コンタクトとの間で相互接続部を形成で きるのを確保するために、ペデスタルの材料の溶解に依存する。このことは、ペ デスタルとハンダとの間で形成される接続部が、ハンダ内における溶解部で脆弱 になり、更に、例えば修理のためにハンダ接続部を壊して、その後、接続部を再 度形成するのが望ましいか、あるいはそうする必要がある場合、そのような後の 接続のために残っているペデスタルの長さが短（なるという欠点がある。

我々は、相互接続ワイヤーが、一方の端で第１要素のコンタクトに結合され、所 定の長さ′に切断され、ワイヤーおよびコンタクトの材料と異なる材料により第 ２要素のコンタクトに結合される電子要素を相互接続する方法を発明した。

１つの要旨において、本発明は、電子要素上のコンタクトに相互接続ワイヤーを 形成できる方法を提供し、該方法は、コンタクトおよびワイヤーの材料以外の材 料を使用せずにワイヤーをコンタクトに結合する工程、ならびにワイヤーを切断 してコンタクトに結合されて、自由端を有する相互接続ワイヤーを残す工程を含 んで成り、コンタクトから、または相互接続ワイヤーの一部分がコンタクトの近 傍で広がっている場合はそのような広がりの直上点から測定される相互接続ワイ ヤーの長さは、相互接続ワイヤーの直径ｄとすると、約２ｄ〜約２０６である。

電子要素のコンタクトを相互接続する手段を形成するためにワイヤーを使用する 場合、金球を変形することにより形成される導電性ペデスタルより多くの利点が 存在する。特に、本発明の方法は、複雑で非常に小さい寸法の道具を作る必要が なく、直径７５マイクロメーターまたはそれ以下の小さいワイヤーに適用できる 。この方法は、非常に適応性があり、要素の各々の形態に合う種々の道具を必要 としない。この方法により、金球を変形することにより可能であ従って、先に説 明したような相当な欠点を存する相互接続手段の材料を溶解するハンダを使用す る必要が除去される。

本発明の相互接続ワイヤーに接続部を形成できる容易性は、再現性のある長さに 由来し、試験目的で電子要素のコンタクトに接続部を形成できるという相当な利 点を有する。長さを等しくするためにワイヤーの端部分をハンダ内で溶解する必 要がないということは、ワイヤーは、後で別の電子要素に相互接続するために、 試験後全長を保持していることを意味する。

本発明の相互接続法により、従来可能であったより高密度の相互接続が可能にな り、更に、その適用性は、最大限の数のコンタクトを有する要素に限定されない 。本発明の相互接続法は、各端でワイヤー結合部を有するワイヤーにより要素を （それを取り付ける）基材に接続し、一般にコンタクトが要素の周囲付近に存在 する必要がある方法とは対照的である。従って、本発明では、ワイヤーボンディ ング法を使用して要素上に相互接続ワイヤーの列を、あるいは要素の周囲付近に 相互ワイヤーの複数の列を有する要素を提供できる。

本発明の相互接続法は、熱のサイクル的変動時の接続された要素の膨張および収 縮に耐えることができないので小さい寸法の要素のみにしか一般に適用できない バンブにより形成される接続部とは対照的である。また、本発明の相互接続法は 、本発明の方法で使用するような小さい寸法のワイヤーの完全な型を加工して保 持することが困難であるために、成形ペデスタルにより相互接続部を形成する方 法とも対照的である。

相互接続ワイヤーが接続されているか、あるいはワイヤーを接続すべき要素の表 面にあるフンタクトは、例えばパッドのような形態であるか、またはバイアのよ うに表面に対して平行または垂直（あるいはそれらの間のある角度）に存在する 導電性トレースの端であってよい。コンタクトは、窪んでいても、要素の包囲面 と同一平面であっても、あるいは表面の盛り上がり部であってもよい。

ワイヤーとコンタクトとの間の結合部は、コンタクトおよびワイヤーの材料以外 の材料を使用しないで形成され、一般に溶着部である。熱、圧力および振動の１ つまたは組み合わせを適用することにより、例えば熱と圧力の組み合わせを利用 する熱圧着により、あるいは熱、圧力および振動の組み合わせを利用する熱音波 もしくは超音波ボンディングにより結合部を形成できる。例えば表面処理剤、反 応生成物、酸化物皮膜のような汚染物質などのワイヤーおよびコンタクトの材料 以外の材料が結合部内またはその周辺に偶発的に存在し得ることが理解されよう 。

ワイヤーの周状表面とコンタクトとの間で結合部を形成でき、ワイヤーがコンタ クトから離れて延びるように結合部分に隣接してワイヤーを曲げる。これは一般 に「ウェッジボンディング」として知られている。

しかしながら、ワイヤーの端とコンタクトとの間に結合部を形成するのがより好 ましい。一般的にこの方法は、ワイヤーを端または端付近で加熱してボールを形 成することを含んで成る。次に、ボールとコンタクトとの間で結合部を形成する 。電極とワイヤーとの間の電気アークによりワイヤーの端に熱を加えてよい。キ ャピラリーと一般的に呼ばれ、ワイヤーが通過する谷通路を有するボンディング ヘッドを介してワイヤーボンダーからワイヤーが供給される。この方法は、一般 的に「ボールボンディング」として知られている。

本発明により相互接続部を形成するために使用するワイヤーは、使用に際してワ イヤーに課される機械的および電気的要件、ワイヤーを取り扱う要件ならびにワ イヤーをコンタクトに結合する場合の要件に合う範囲でできる限り細い。一般的 に、ワイヤーは実質的に丸く、直径は約３７５マイクロメーター（ミクロン）以 下、好ましくは約２５０マイクロメーター以下である。特に好ましいワイヤーの 直径は、約１２〜約１２５ミクロン、特に約２５〜約７５ミクロンである。

ワイヤーの材料は、ワイヤーと電子要素のコンタクトとの間で相互接続部を形成 する方法により選択する。ワイヤーは、別の材料を使用しなくても１つのコンタ クトの材料に結合できる必要があり、この理由ゆえに、アルミニウム、金および 銅ワイヤーが好ましく、硬引金ワイヤーが特に好ましい。

相互接続ワイヤーの長さは、フンタクトから測定するが、例えばポールボンディ ングまたはウェッジボンディングにより結合部を形成する場合のように、コンタ クト近傍で相互接続ワイヤーの一部分が広がっている場合は別である。この場合 、相互接続ワイヤーの長さは、上述のような広がりの直上点から測定する。例え ば、結合部をポールボンディングにより形成する場合、ワイヤーの長さはワイヤ ーがボールに入る点から測定する。ボールの表面はその点で凹面であっても、ま たは凸面であってもよい。ウェッジボンディングにより結合部を形成する場合、 ワイヤーの長さは、コンタクトに結合されたワイヤー部分がコンタクトから離れ て伸びているワイヤー部分と会う点から測定する。

相互接続ワイヤーの長さは、約３ｄ〜約１２ｄ１好ましくは約５ｄ〜約７ｄであ るのが好ましい。上記範囲内、特に上記のより狭い範囲内の長さを有する相互接 続ワイヤーは、特性を組み合わせた利点を有する。一方では、ワイヤーは十分に しなやかで相互接続された要素の熱的サイクルにより作用する力を吸収でき、比 較的長い相互接続ワイヤーが大きい要素を相互接続するのに好ましい。更に、上 記範囲内の長さを有する相互接続ワイヤーは十分に強く基材の上で電子要素を支 持でき、他方、上述のように熱的影響を許容できる。

形状、材料、（とりわけワイヤーの硬度およびモジ二ラスに影響を与え得る）処 理およびワイヤーの長さを相当に選択することにより、相互接続ワイヤーの機械 的特性を調整して特定用途の要件に適当となるようにできる。そのようなワイヤ ーのもう１つの利点は、第１要素を取り付ける基材のコンタクトまで第１要素か らワイヤーが延びる、先に説明した従来技術の方法で使用されるワイヤーより遥 かに短い長さを有するということである。ワイヤーを短くすることにより、望ま しくないリアクタンス特性を除去し、要素間の信号伝達速度を増やすことができ る。従来技術の方法をしのぐ本発明の方法のもう１つの重要な利点は、当然なが ら電子要素間で相互接続部を形成するために必要な空間が相当減少させることで ある。

ポールボンディングによりワイヤーとコンタクトとの間で結合部を形成する場合 、（コンタクトから最も遠い点まで測定される）コンタクトより上のボールの高 さは約１ｄ〜約３ｄであるのが好ましい。

ワイヤーを所望の長さに直接切断してよい。別法では、弱化した点に力を加える とワイヤーが破壊するような方法で、コンタクトへの結合部から所望距離の点で 弱化することにより切断してよい。最初にワイヤーを弱化して、後で力を加えた 時に破壊するようにしてよい。別法では、ワイヤーに力を加え、次に、力を加え ながら弱化してよい。ワイヤーに加える力は、弱化された点でワイヤーを破壊す る程度に十分である必要があるが、ワイヤーとコンタクトとの間の結合部が破壊 するほど大きくてはならない。ワイヤーに力を加えることと所定位置でワイヤー が破壊するようにワイヤーを弱化することを組み合わる場合、それは、再現性の 良い長さにワイヤーを破壊する特に好都合な方法であるという利点がある。更に 、力を加えることにより生じるワイヤーの局所的なネッキングにより、ワイヤー の自由端から短い距離にわたりテーパーが付く。これは、以下により詳細に説明 するように、特に導電性材料が窪みに配置されている場合、適当に配置された導 電性材料にワイヤーの自由端を位置させるのを容易にするという利点がある。更 に、相互接続手段が一定断面を有する場合、結合部は加えられた張力により専ら 剪断荷重下に置かれるので、相互接続手段と導電性材料のプールとの間の結合部 は本質的により強い。更に、テーパー付き端部分を有するワイヤーを機械的コネ クターに挿入でき、ワイヤーのフンタクト断面部分により信頼性のある接続部を ワイヤーに形成できる。

本発明の方法は、ワイヤーに力を加える工程を含むのが好ましい。

所望の長さにワイヤーを直接切断する場合、加える力は、ワイヤーのねじれまた は歪を除去するように切断できる。

ワイヤーに力を加えることによる重要な利点は、特に、ワイヤーのカールを除去 し、それにより２本またはそれ以上の相互接続ワイヤーが相互に接触して、短絡 回路を形成するのを減らすように、ワイヤーを真っすぐにするのを助長すること である。

ワイヤーに力を加えることのもう１つの利点は、組み立て工程の間に相互接続ワ イヤーとコンタクトとの間の結合部を機械的に自動的に試験することである。

ワイヤーに力を加えることの更にもう１つの利点は、ワイヤーを加工硬化し、そ れにより、例えばワイヤーをコンタクトに結合するか、あるいは弱化するために 加熱された場合に予め影響を受けた冶金学的特性を少な（とも部分的には回復す るということである。

ワイヤーのカールの問題は、ワイヤーがリールで供給され貯蔵されている場合に 特に生じる。本発明の相互接続ワイヤーを形成する方法は、この問題点をうまく 解決でき、また、ワイヤーを所望の長さに再現性よく切断できるようにする。

相互接続ワイヤーがコンタクトから延びる方向は、適当に力を加えることにより 選択できる。相互接続ワイヤーは、ワイヤーをコンタクトに結合する点において コンタクトに対して垂直な線に対して約３０°以下、特に約５″以下の角度でコ ンタクトから離れる方向で延びるのが好ましい。ワイヤーをコンタクトに結合す る点においてコンタクトに対して実質的に垂直な方向でワイヤーが延びるのが特 に好ましい。相互接続ワイヤーは真っすぐでコンタクトに対して垂直な方向で延 びるのが好ましいが、短絡回路をもたらすことになる相互のまたはコンタクトも しくは他の導電性要素との接触を避けるように十分能れた距離をワイヤーが保持 するのであれば、所望の角度で結合するか、あるいは結合後にそのような角度に 曲げることにより、所望の任意の角度で斜めであってよく、また、ワイヤーは湾 曲していてよい。

ワイヤーボンダーを使用して相互接続ワイヤーを形成するのが好ましい。ボンデ ィングヘッドの通路を介してコンタクトにワイヤーを供給でき、熱、圧力および 振動の１つまたはそれ以上をワイヤーに適用してボンディングヘッドにより結合 部を形成できる。

ワイヤーが通路を出る開口部に対して所定位置でワイヤーを弱化する手段をボン ディングヘッドに供給してよい。ワイヤーを牛ヤピラリー内のある点で弱化する のが好ましい。

もう１つの要旨では、本発明は、ワイヤーボンダー用のボンディングヘッドを提 供し、該ボンディングヘッドは、電子要素のコンタクトに結合するためにワイヤ ーを供給できる、ボンディングヘッドを通過して延びるチューブ状通路を有し、 ワイヤーが通路を出る開口部に対して所定の点でワイヤーを弱化する手段を有す る。

ワイヤーを弱化する手段は、ワイヤーを局所的に加熱する熱源を有して成るのが 好ましい。例えば、電極とワイヤーとの間で電気アークを発生するように配置さ れた電極であってよ（、あるいは、レーザーまたは電気抵抗ヒーターであっても よい。レーザーまたはアーク電極は、別の熱源もしくは別の弱化手段と独立で、 または組み合わせて操作できる。

ワイヤーを弱化する手段は、ワイヤーに接触してワイヤーに弱化点を形成するよ うに配置された要素から成ってよい。要素は、ワイヤーにノツチを形成するか、 あるいはワイヤーを直接切断してよい。

要素は、例えばブレードまたはワイヤーを有して成ってよい。また、要素は、熱 源、例えば加熱ブレードもしくはワイヤーから成ってよい。

弱化手段は、ボンディングヘッド内のある点でワイヤーを弱化するように配置す るのが好ましい。これは重要な利点である。例えば、ボンディングヘッドをコン タクトまたはコンタクトの近傍でワイヤーの広がり部分の上に配置して所望の長 さに再現性よくワイヤーを切断できる。この状態でボンディングヘッドによりワ イヤーを切断することにより、コンタクトまたはワイヤーの広がり部分の直上の 点から測定される所定長さをワイヤーが有するのを確保できる。更に、ボンディ ングヘッド内でワイヤーを弱化することにより、弱化工程により生じる破片をよ り良くコントロールできる。そのような破片がワイヤーを接続する要素上に落下 することは非常に望ましくないことであり、そこで短絡回路が形成されることが ある。通路とつながっているボンディングヘッドの壁の開孔部に弱化手段を位置 させることにより配置してよい。

通路の内径は、ワイヤーを弱化する点の両側である距離、より好ましくは少なく とも約Ｘ、特に少なくとも約２．５ｘ、より特に約４Ｘ（但し、Ｘは該位置にお ける通路の内径）にわたり実質的に一定であるのが好ましい。ワイヤーは、ワイ ヤーが通路を出る開口部より上方の僅かに短い距離の点から外向きに通路が広が っている従来のボンディングヘッド内におけるより、通路内では横方向に殆ど移 動できないので、この特徴はワイヤーを切断できる精度に寄与する。例として直 径５０ミクロンのワイヤー用ボンディングヘッドでは、開口部における通路の直 径は一般的に約６０ミクロンである。

この場合、ワイヤーを弱化する手段の両側で少なくとも約１２５ミクロン、特に 少なくとも約２５０ミクロンにわたり通路の直径が約６０ミクロンの通路である のが好ましい。

弱化手段はボンディングヘッドの外部に配置してもよく、外側表面に配置するの が好ましい。例えば、弱化手段が電気アークを発生する電極から成る場合、導電 性塗料のような導電性材料のストライブにより弱化手段を供給してよい。ボンデ ィングヘッドの外側に電極を配置する利点は、ボンディングヘッドを製造するの が比較的容易であるということである。更に、比較的短い相互接続ワイヤー、例 えば長さ２ｄ〜３ｄのものを好都合に形成できる。

特にワイヤー弱化手段をボンディングヘッドの外側に取り付ける場合、相互接続 ワイヤーを形成する方法は、ワイヤーを弱化する工程の前にコンタクトから離れ てボンディングヘッドを移動させる工程を含むのが好ましい。例えばステップモ ーターを使用してボンディングヘッドを移動させる距離をコントロールすること により、相互接続ワイヤーの長さを選択できる。

ボンディングヘッドの特性は、それにより形成される結合部の特性により決定さ れる。ボンディングヘッドがボールボンド形成用の場合、−ｎにボンディングヘ ッドは「キャピラリー」である。ボンディングヘッドがウェッジポンド形成用で ある場合、一般的にボンディングヘッドは「ウェッジ」である（これらの用語は 、当該分野で理解されている意味を有する）。

また、本発明は、コンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用せずに、相 互接続ワイヤーが電子要素のコンタクトに結合されている電子要素を提供し、コ ンタクトから、または相互接続ワイヤーの一部分がコンタクトの近傍で広がって いる場合はそのような広がりの直上点から測定される相互接続ワイヤーの長さは 、相互接続ワイヤーの直径をｄとすると、約２ｄ〜約２０６である。

更に、本発明は、それぞれが相互接続ワイヤーにより相互接続されているコンタ クトを有する第１電子要素および第２電子要素のアッセンブリを提供し、相互接 続ワイヤーは、（ａ）ワイヤーおよび第一要素のコンタクトの材料以外の材料を 使用せずに第１要素のコンタクトに結合され、（ｂ）ワイヤーおよび第２要素の コンタクトの材料と異なる導電性材料により第２要素のコンタクトに結合されて いる。

ワイヤーから相互接続手段を形成する場合、金球を変形することにより形成され るペデスタルより多くの利点がある。例えば、相互接続ワイヤーは実質的に一定 の断面を有し、それにより型から取り外せるように全長にわたりテーパーを付け る必要がある成形ペデスタルと比較すると、ワイヤーの長さにわたりより均一な 応力分布が可能となる。また、一定断面により相互接続手段への機械的接続が容 易になる。相互接続手段の全長にわたる応力分布により、より大きな歪に耐える ことができるのそのような分布は望ましい。また、成形ペデスタルの冶金学的構 造と比較すると、ワイヤーの冶金学的構造より相当な利点が生じる。ワイヤーは 製造される方法の結果として加工硬化される。これにより、ワイヤーから形成さ れる相互接続手段は電子要素を物理的に支持でき、他方、要素とそれを接続すべ き基材との間で熱的に誘因される応力に耐えるように十分にしなやかである。逆 に、成形ペデスタルは、成形プロセスの間にさらされるアニールの結果、比較的 柔らかくなり易い。また、成形ペデスタルの金属構造物は、一般的にワイヤーよ り傷が入りやすく、粗い粒子を有する傾向がある。従って、成形ペデスタルは、 傷が存在する弱化点で破壊することなく熱的に誘因される応力に殆ど耐えること はできず、更に、相互接続ワイヤーの電気的性質は、そのより緻密な構造故に成 形ペデスタルより優れている。

従って、ワイヤーから形成される相互接続手段の再現性および信頼性のある機械 的ならびに電気的特性は、本発明により提供される相互接続法に多大な利点を付 与する。

本発明の方法は、相互接続ワイヤーと第１要素のコンタクトとの間で結合部に、 また、結合部の少なくとも近傍で要素の表面に、絶縁材料の層を適用する工程を 含むのが好ましく、この層を通ってワイヤーが該表面から延びる。

もう１つの要旨では、本発明は、表面に少なくとも１つのコンタクトを有する電 子要素を提供し、コンタクトは、コンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を 使用せずにコンタクトに結合され、該表面から離れる方向で延びている相互接続 ワイヤーを有し、ワイヤーとコンタクトとの間の結合部およびコンタクトの少な （とも近傍に要素の表面は、ワイヤーが通過して延びる絶縁材料層により被覆さ れている。

絶縁材料層を供給することにより、相互接続ワイヤーと第２要素との間で結合部 を形成するために使用する導電性材料が、ワイヤーに沿った灯心作用により第１ 要素のフンタクトと接触して、そのようなコンタクトの間で短絡回路が形成され 得るのを防止する。相互接続部の小さいスケールおよび構造は、ハンダのような 材料の灯心作用がより優勢であることを意味するので、絶縁層が克服する問題点 は、本発明の相互接続法に特有なものであると考えられる。

絶縁材料層を有する要素のもう１つの重要な利点は、要素は、実際上、充填要素 から成り、該充填要素では（ｉ）要素の各コンタクトは、それに結合された相互 接続ワイヤーを有し、他の要素のコンタクトに接続部を形成でき、また（１１） 相互接続ワイヤーとコンタクトおよび要素の鋭敏表面領域との間の結合部は、汚 染物質の侵入に対して封止されている。

従って、充填要素には、例えば要素の試験のために、また、輸送のために「クリ ーンルーム」環境以外の環境で操作できるという利点がある。本発明の方法によ り形成される相互接続ワイヤーを使用することにより、従来可能であったより小 さい寸法を有する充填要素を形成できる。実際、充填要素により占められる領域 は要素自体の領域より大きい必要はない。これは、本発明の重要かつ非常に望ま しい特徴である。

また、絶縁材料層は、特にワイヤーのベースにおいて歪逃げを提供するために、 相互接続ワイヤーを横方向に支持するように機能できる。

絶縁材料層はワイヤーとコンタクトとの間の結合部を結合部につながっているワ イヤーの広がり端部分と一体に覆うように十分に厚いのが好ましく、特に、ワイ ヤーの一定断面部分に沿って例えば少なくとも２５ミクロン延びている。層の厚 さは、少なくとも１５ミクロン、特に少なくとも５０ミクロンであるのが好まし い。

絶縁材料層を複数の層で適用してよい。これには、単一層のピンホールを遮断で きるという利点がある。

絶縁材料層を硬化性液体として適用してよい。滴で適用でき、次に、例えば要素 を回転するか、または振動させることによる攪拌により要素の表面上で流動を促 進できる。

また、本発明は、電子要素の少なくとも２つのコンタクトの各々に相互接続ワイ ヤーを形成する方法を提供し、該方法において、先に説明した相互接続ワイヤー 形成法によりそれぞれのコンタクトに各相互接続ワイヤーを形成し、該方法は、 コンタクトへの結合部から離れる方向で各ワイヤーに力を加える工程を含み、各 ワイヤーに力を加える方向は、隣接する各ワイヤーに力を加える方向と実質的に 平行である。

別の要旨では、本発明は第１要素および第２要素のコンタクトを相互接続する方 法を提供し、該方法は、（ａ）先に説明した方法により第１要素のコンタクトに 相互接続ワイヤーを形成する工程、および （ｂ）第２要素のそれぞれのコンタクトに相互接続ワイヤーの自由端を結合する 工程 を含んで成る。

ワイヤーおよびフンタクトの材料と異なる導電性材料により、各相互接続ワイヤ ーと第２要素のそれぞれのコンタクトとの間の結合部を形成するのが好ましい。

導電性材料は、流体として存在するか、または室温で変形可能であってよく、必 要ならカバーまたは容器により所定に位置に保持される例えば導電性液体、グリ ースまたはゲルであってよい。導電性材料は、一旦加熱すると結合部を形成する ために使用できるもの、例えばハンダ、ろう付は材料または熱活性接着剤である 。従って、導電性材料は溶融性であり、第２要素の各コンタクトに独立して配置 されるのが好ましく、導電性材料を加熱して溶融し、（第１要素のコンタクトに 結合されている）相互接続ワイヤーの自由端を溶融導電性材料に挿入することに より結合部を形成するのが好ましい。

好ましいハンダ材料には、Ｉｎ／ＰｂおよびＡｕ／Ｓｎ合金が包含される。

導電性材料を使用してワイヤーと第２要素のコンタクトとの間で結合部を形成す ることには、ワイヤーと第１要素との間の結合部に影響を与えることなく、第２ 要素への結合部を繰り返して好都合に形成および破壊でき、それにより、例えば 修理または交換のために第１要素を第２要素から脱離できるという利点がある。

「バンプ」により形成された相互接続部の場合、このようなことを行うのは遥か に困難である。その理由は、バンプと第１要素および第２要素との間の接続部は 通常同じ性質を有するためである。例えば、通常、接続部は双方共溶接部である か、または双方共ハンダ接続部である。

各端でワイヤー結合された相互接続ワイヤーにより接続されている要素を脱離す るには、ワイヤーを切断することが必要である。その後、ワイヤーは短過ぎて再 度接続部を形成できず、第１要素のコンタクトに取り付けたルーズワイヤーを第 ２要素の適正なコンタクトに接続することは極めて困難である。これらおよび他 の困難性ゆえに、相互接続ワイヤーを切断した要素の再接続は、通常行われない 。

通常、第１要素および第２要素は廃棄されて交換されるが、特に、１つの要素が 幾つかの要素を既に取り付けた基材である場合、これには相当なコストを要する ことがある。本発明は、相互接続ワイヤーの両端におけるワイヤー結合部の必要 性を除去し、それにより、従来技術のワイヤーボンディング法が遭遇する修理の 問題点を克服するものである。本発明の方法により実質的に一定長さに形成され る相互接続ワイヤーを切断することにより、アメリカ合衆国特許第３３７３４８ １号に記載されているように、相互接続手段の材料が溶解する導電性材料をしよ うする必要性が存在しない。実際、相互接続ワイヤーの材料が実質的に非溶解性 である導電性材料を使用するのが好ましい。その理由は、このことにより、ワイ ヤーを腐食することなく各ワイヤーへの結合部を繰り返し再形成できるからであ る。

更にもう１つの要旨では、本発明は第１電子要素および第２電子要素のコンタク トの間で相互接続部を形成する方法を提供し、該方法は、 （ａ）第１要素のコンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用しないでワ イヤーを第１要素のフンタクトに結合する工程、（ｂ）所望の長さにワイヤーを 切断する工程、ならびに（Ｃ）ワイヤーおよび第２要素のコンタクトの材料とは 異なる導電性材料によりワイヤーの自由端を第２要素のコンタクトに結合する工 程 を含んで成る。

導電性材料を第２要素のコンタクトの窪みに配置するの好ましい。

導電性材料を使用して相互接続ワイヤーと第２要素との間で結合部を形成する場 合、ワイヤーの長さの小さい変化およびコンタクトが配置された要素の１つまた は双方の表面の平坦性の変動を補償できるという利点がある。この能力は、導電 性材料を窪みに配置することにより促進される。本発明は、「プール」のように 導電性材料が独立して供給されている第２要素を提供する。

従って、本発明は、表面に少なくとも１つのコンタクトおよび窪みにあるフンタ クトに配置された溶融性導電性材料を有する電子要素を提供し、導電性材料の深 さの導電性材料や露出面における横断方向の寸法に対する割合は少なくとも約０ ．２５である。

窪みをコンタクトに形成してよい。これに代えてまたは加えて、コンタクトの周 囲および少なくとも近傍の要素の表面に配置される絶縁材料層により窪みを規定 してよい。絶縁材料層は、例えばコンタクト自体が要素の包囲面より窪んでいる 場合、要素の一体部分であってよい。

導電性材料のプールの横断方向寸法は、断面が円形である場合はその直径である 。断面が非円形である場合、横断方向寸法は断面積に相当する円の直径である。

導電性材料のプールの深さおよび横断方向寸法は窪みの中央で測定する。

導電性材料のプールの深さの横断方向寸法に対する割合は、少なくとも約０．５ ０、特に少なくとも約１．００であるのが好ましい。

この割合が少なくとも０．２５またはそれ以上である要素では、導電性材料のプ ールの表面密度、従って、要素に対する相互接続部の密度を高く保持でき、また 、相互接続ワイヤーの長さの変動を補償する。

導電性材料のプールを窪みに設ける場合、窪みの開口部により相互接続ワイヤー を導電性材料のプールと整列できるという利点がある。

窪みは内側向きにテーパーが付いているのが好ましい。これにより、導電性材料 のプールにおける相互接続ワイヤーの適正な整列が更に促進される。窪みにおけ る内側向きテーパーを補完するために、自由端から短い距離で相互接続ワイヤー にテーパーを付けるのが好ましい。

導電性材料がハンダから成る場合、粒状形態、例えば粉末で、あるいは小球の形 態で窪みに導電性材料を供給するのが好ましい。粉末は、フラックスおよび好ま しくは溶剤と一緒になったハンダ粒状物から成るペーストの形態で供給してよい 。ペーストを窪みに挿入する。次に、ペーストの揮発性成分、特にペースト中に 存在する溶剤を加熱により除去する。その後、フラックスを除去してコンタクト の窪みにハンダのプールを残す。ハンダを球の形態で供給する場合、球が窪みに 座り窪みの底に接触するような横断方向寸法、好ましくは底における窪みの横断 方向寸法の約０．７５倍以下であるような横断方向寸法を有する単一の球を各窪 みに最初に供給するのが好ましい。引き続いて、別のハンダの球を供給して、ハ ンダプールの深さを増やしてよい。一般に少なくとも初めのハンダ球にフラック スを供給する必要がある。フラックスの量はハンダ球および（窪みの底にある） フンタクトに被覆を供給するに十分であるのが好ましいが、球と窪みの壁との間 の空間を完全に充填して球を覆うほどである必要はない。要素を脱離するために 相互接続ワイヤーをプールから除去した後に、ハンダプールを補充する場合、加 えるハンダの量を好都合にコントロールできるので、ハンダの球を使用するのが 特に好ましい。

本発明の相互接続ワイヤーの形成法、フンタクトの相互接続法、ワイヤーボンダ ー用ボンディングヘッドおよび電子要素を添付図面を参照して具体例により説明 する。

第１図は、熱圧着ワイヤーボンダーにより相互接続ワイヤーが結合されている集 積回路チップのような電子要素の立断面図である。

第２図は、各コンタクトに相互接続ワイヤーが結合されている第１図のＩＣチッ プの立断面図である。

第３図は、各コンタクトの窪みに配置されたハンダのような導電性材料の独立部 分を有するをＩＣチップキャリヤのような電子要素の立断面図である。

第４図は、相互接続ワイヤーにより相互接続された第２図および第３図に示した 電子要素の立断面図である。

第５図は、使用に際して、電子要素のコンタクトに相互接続ワイヤーを形成する ワイヤーボンダーのボンディングヘッドの拡大図である。

第６図は、コンタクトから持ち上げた第５図に示すボンディングヘッドを示し、 コンタクトに相互接続ワイヤーが結合している。

図面を参照すると、第１図は、主表面５にフンタクト３を有する集積回路チップ のような電子要素１を示す。相互接続ワイヤー７はコンタクトに結合されている 。ワイヤーボンダーによりそれぞれのコンタクトに結合される過程の１本のワイ ヤーを示しており、ワイヤーボンダーの１つのキャピラリーボンディングへ・ラ ド９のみを示している。ボンディングヘッドは、要素のフンタクトに結合するた めにワイヤーを通して供給する通路１１を有する。ボンディングへ、ラドは側壁 に開孔部１３を有し、開孔部はワイヤーが通路を出る開口部から所定の距離の点 でワイヤーを弱化する手段を収容するように通路１１とつながっている。一旦ワ イヤーをコンタクトに結合すると、ワイヤーをコンタクトに結合するボール１５ より上方２ｄ〜２０ｄの距離の点でワイヤーを切断する。ここで、ｄはワイヤー の直径である。ワイヤーが弱化した点で破壊するように、コンタクトから離れる 方向でワイヤーに力を加えることによりワイヤーを切断するのが好ましい。

第２図は、それぞれのコンタクト３に相互接続ワイヤー７が結合されている要素 １を示す。ワイヤーは全部実質的に等しい長さとなるように切断されている。絶 縁材料層１７が要素の表面５に適用され、ワイヤー７とコンタクト３との間の結 合部を封入し、ワイヤーの端をコンタクトに結合する、ワイヤーの端に形成され たボール１５を含む。第２図に示す構造を有する層はそれほど可撓性でないポリ マー、例えば少なくとも部分的には結晶性であるものであってよい。

第３図は、主表面２５にコンタクト２３を有するＩＣチップキャリヤのような電 子要素２１を示す。ハンダのような導電性材料のブール２７が各コンタクト２３ に供給されている。各ブールは、それぞれのコンタクト２３の周囲で要素の表面 ２５に配置された絶縁層の層２９の窪みに位置する。導電性材料の各ブール２７ の深さの横断方向寸法に対する割合は、少なくとも０．２５である。

各窪みの横断方向寸法は、要素２１の表面２５に接触する面における寸法より絶 縁材料層２９の外側表面３１における寸法が大きく、その結果、窪みはそれぞれ のコンタクトに向がって内側にテーパーが付いている。窪みのテーパーにより、 相互接続ワイヤーを導電性材料のブール２７に整列するのが助長される。この整 列は、自由端で短い距離にわたりテーパーが付くように、要素１上で各相互接続 ワイヤーを切断することにより更に促進される。

第４図は、第２図に示した第１要素１および第３図に示した要素２１を示し、先 に説明したように第１要素１のコンタクト３に結合した相互接続ワイヤー７によ り相互接続され、導電性材料のブール２７により第２要素２１のコンタクト２３ に接続されている。導電性材料が溶融性、例えばハンダである場合、第２要素２ １のコンタクト２３へのワイヤー７の接続は、加熱して導電性材料を溶融させ、 溶融した材料にワイヤー７の自由端を挿入することにより行う。

第５図は、ワイヤー４１の端と要素４５０表面のコンタクト４３との間で結合部 を形成する場合に使用するワイヤーボンダーのキャピラリーボンディングヘッド ３９を模式的に示している。ワイヤーボンダーは、上げた状態の時（図示せず） に電極とボンディングヘッド３９の通路４８から突出するワイヤー４１の端との 間でアークを発生するために電極４７を有して成る。電極４７は、ワイヤーの材 料を溶融することによりワイヤー４１の端にボール４９を形成スる機能を果たす 。電極は、直流電源５０を介してワイヤー４１に接続されている。

ボール４９がワイヤー４１の端に形成された後に、ボンディングヘッド３９を下 げ、ボール形成電極４７を通過して、熱および圧力を加えてボール４９とコンタ クト４３との間で結合部を形成する。

表処理剤、反応生成物および汚染物質のような偶発的な量の物質は別として、ワ イヤーおよびコンタクトの材料以外の材料を使用せずに結合部を形成する。

ボール４９とコンタクト４３との間で一旦結合部を形成すると、ワイヤーボンダ ー内でワイヤーをつかみ、ワイヤー４１がコンタクトに結合されている点におい てコンタクト４３に対して実質的に垂直な方向でワイヤーに力を加えることによ りワイヤー４１を破壊する。第６図に示すように、ワイヤー４１をつかみ、コン タクト４３からボンディングヘッド３９と一緒に結合したワイヤーを持ち上げる ことにより力を加える。ある状況では、ワイヤーをつかみ、ボンディングアーム に対して移動できるジョーによりワイヤーに力を加えるのが有利である。例えば 、ジ璽−は、ボンディングアームに対してジ１−を移動できる弾性アームに取り 付けて、（自由端でボール４９を介してコンタクト４３に結合された）ワイヤー に再現性のある力を加えるようにしてよい。

所望の点で弱化することにより、加えた力でワイヤーが破壊するようにする。こ のために、通路４８とつながっている、ヘッドの側壁にある開孔部に電極５１を 設ける。電源５０によりワイヤー４１に電極５１を接続する。

電極５１が位置する開孔部の両側で、通路４８の内径は、２．５Ｘ（Ｘは、開孔 部が通路に合う点に於ける通路の内径）以上の距離にわたり一定であるようにな っている。これにより、ワイヤーが通路内で横断方向への移動能が最小限になる ので、ワイヤー４１を所望の長さにより再現性良く切断できる。従って、電極５ １とワイヤー４１との間のアークはより短く、よりうまくコントロールできる。

力およびワイヤー４１と電極５１との間のアークを組み合わせることにより、自 由端で短い距離５３にわたりテーパーが付いている相互接続ワイヤーをコンタク ト４３に提供する。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. １．電子要素のコンタクトに相互接続ワイヤーを形成する方法であって、コンタ クトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用せずにコンタクトにワイヤーを結合 する工程、ならびにコンタクトに結合して自由端を有する相互接続ワイヤーとな るようにワイヤーを切断する工程を含んで成り、コンタクトから、または相互接 続ワイヤーの一部分がコンタクトの近傍で広がっている場合はそのような広がり の直上点から測定した相互接続ワイヤーの長さは、相互接続ワイヤーの直径をｄ とすると、約２ｄ〜約２０ｄである方法。
2. ２．接続ワイヤーの長さは、約３ｄ〜約１２ｄ、好ましくは約５ｄ〜約７ｄであ る請求の範囲第１項の方法。
3. ３．コンタクトから離れる方向でワイヤーに力を加える工程を含む請求の範囲第 １項または第２項記載の方法。
4. ４．コンタクトの結合部から所望の距離の点でワイヤーを弱化することにより、 ワイヤーを弱化した点で加えられる力によりワイヤーが破壊するようにすること によりワイヤーを切断する請求の範囲第３項記載の方法。
5. ５．局所的に加熱することにより、好ましくは電気アークによりワイヤーを弱化 する請求の範囲第４項記載の方法。
6. ６．熱圧着ボンディングによりワイヤーをコンタクトに結合する請求の範囲第１ 〜５項のいずれかに記載の方法。
7. ７．ワイヤーの端に形成したポールとコンタクトとの間で結合部を形成し、結合 部を形成した後のコンタクトより上のボールの高さは好ましくは約１ｄ〜約３ｄ である請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方法。
8. ８．ワイヤーボンダーのボンディングヘッドによりコンタクトにワイヤーを供給 する請求の範囲第１〜７項のいずれかに記載の方法。
9. ９．ワイヤーを弱化する前に、ボンディングヘッドをコンタクトから離す工程を 含む請求の範囲第８項記載の方法。
10. １０．ボンディングヘッド内のある点でワイヤーを弱化する請求の範囲第８項ま たは第９項記載の方法。
11. １１．請求の範囲第１〜１０項のいずれかに記載の方法により、各相互接続ワイ ヤーをそれぞれのコンタクトに形成する、電子要素の少なくとも２つのコンタク トにそれぞれ相互接続ワイヤーを形成する方法であって、コンタクトヘの結合部 から離れる方向で各ワイヤーに力を加える工程を含み、各ワイヤーに力を加える 方向は、各々の隣接するワイヤーに力を加える方向に対して実質的に平行である 方法。
12. １２．第１要素および第２要素のコンタクトを相互接続する方法であって、 （ａ）請求の範囲第１〜１０項のいずれかに記載の方法により第１要素のコンタ クトに相互接続ワイヤーを形成する工程、および（ｂ）第２要素のそれぞれのコ ンタクトに相互接続ワイヤーの自由端を結合する工程 を含んで成る方法。
13. １３．ワイヤーおよびコンタクトの材料と異なる導電性材料、好ましくはハンダ により、相互接続ワイヤーと第２要素のコンタクトとの間で結合部を形成する請 求の範囲第１２項記載の方法。
14. １４．導電性材料が溶融性であり、第２要素の各コンタクトに独立して配置され 、導電性材料を加熱して溶融させ、相互接続ワイヤーの自由端を溶融した導電性 材料に挿入することにより結合部を形成する請求の範囲第１３項記載の方法。
15. １５．独立した各導電性材料は、第２要素のコンタクト上の窪みに配置されてい る請求の範囲第１４項記載の方法。
16. １６．コンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用せずに電子要素のコン タクトに結合された相互接続ワイヤーを有する電子要素であって、コンタクトか ら、または相互接続ワイヤーの一部分がコンタクトの近傍で広がっている場合は そのような広がりの直上点から測定した相互接続ワイヤーの長さが、相互接続ワ イヤーの直径をｄとすると約２ｄ〜約２０ｄである電子要素。
17. １７．相互接続ワイヤーが実質的に真っすぐである請求の範囲第１６項記載の方 法。
18. １８．ワイヤーをコンタクトに結合する点において、コンタクトに対して垂直で ある線に対して約３０。以下、特に約５。以下のの角度でコンタクトから離れる 方向で相互接続ワイヤーが延びている請求の範囲第１７項記載の方法。
19. １９．相互接続ワイヤーは、自由端から短い距離にわたりテーパーが付いている 請求の範囲第１８項記載の要素。
20. ２０．それぞれが相互接続ワイヤーにより相互接続されているコンタクトを有す る第１電子要素および第２電子要素のアッセンブリであって、相互接続ワイヤー は、 （ａ）ワイヤーおよび第１要素のコンタクトの材料以外の材料を使用せずに第１ 要素のコンタクトに結合され、（ｂ）ワイヤーおよび第２要素のコンタクトの材 料と異なる導電性材料により第２要素のコンタクトに結合されているアッセンブ リ。
21. ２１．第１電子要素および第２亀子要素のコンタクト間で相互接続部を形成する 方法であって、 （ａ）第１要素のコンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用せずに第１ 要素のコンタクトにワイヤーを結合する工程、（ｂ）所望の長さにワイヤーを切 断する工程、ならびに（ｃ）ワイヤーおよび第２要素のコンタクトの材料と異な る導電性材料により第２要素のコンタクトにワイヤーの自由端を接続する工程 を含んで成る方法。
22. ２２．コンタクトから離れる方向でワイヤーに力を加える工程を含む請求の範囲 第２１項記載の方法。
23. ２３．力がワイヤーの切断に寄与する請求の範囲第２２項記載の方法。
24. ２４．電子要素のコンタクトに結合するために中を通してワイヤーを供給できる ボンディングヘッドを通過して延びるチューブ状通路およびワイヤーが通路を出 る開口部に対して所望の点でワイヤーを弱化する手段を有するワイヤーボンダー 用ボンディングヘッド。
25. ２５．弱化手段は、キャピラリーの外側、好ましくはキャピラリーの外側表面に 取り付けられている請求の範囲第２４項記載のボンデイングヘッド。
26. ２６．弱化手段は、チューブ状通路内の点でワイヤーを弱化するように配置され ている請求の範囲第２４項記載のボンディングヘッド。
27. ２７．通路の内径は、ワイヤーを弱化する点の両側である程度の距離にわたり、 該点における通路の内径をｘとすると、好ましくは少なくとも約１ｘ、より好ま しくは少なくとも約２．５ｘ、特に少なくとも約４ｘにわたり実質的に一定であ る請求の範囲第２６項記載のボンディングヘッド。
28. ２８．弱化手段はワイヤーを局所的に加熱する熱源を含んで成る請求の範囲第２ ４〜２７項のいずれかに記載のボンディングヘッド。
29. ２９．熱源は、電極とワイヤーとの間で電気アークを発生するように配置された 電極またはレーザーである請求の範囲第２８項記載のボンディングヘッド。
30. ３０．弱化手段は、ワイヤーに弱化点を形成するようにワイヤーに接触するよう に配置された要素を有して成る請求の範囲第２４〜２９項記載のボンディングヘ ッド。
31. ３１．ボールボンディング用キャピラリーとして使用するための請求の範囲第２ ４〜３０項のいずれかに記載のボンディングヘッド。
32. ３２．表面に少なくとも１つのコンタクトを有する電子要素であって、コンタク トは、コンタクトおよびワイヤーの材料以外の材料を使用せずにコンタクトに結 合され、該表面から離れる方向で延びている相互接続ワイヤーを有し、ワイヤー とコンタクトとの間の結合部およびコンタクトの少なくとも近傍の要素の表面は 、ワイヤーが通過して延びる絶縁材料層により被覆されている電子要素。
33. ３３．絶縁材料層の厚さは少なくとも約１５マイクロメーターである請求の範囲 第３２項記載の電子要素。
34. ３４．表面に少なくとも１つのコンタクトおよび窪みのコンタクトに配置された 溶融性導電性材料を有し、導電性材料の深さの導電性材料の露出面における横断 方向寸法に対する比が少なくとも約０．２５、好ましくは少なくとも０．５０、 特に少なくとも約１．００である電子要素。
35. ３５．溶融性導電性材料がハンダである請求の範囲第３４項記載の要素。
36. ３６．窪みは内側向きにテーバーが付いている請求の範囲第３４項記載の要素。